针对常用的无监督聚类分析方法中存在的问题,提出了一种基于分子结构设计理论的聚类分析方法。该方法借鉴分子结构设计理论模型,将故障样本空间看作分子系统,将故障样本看作分子系统中的原子,以故障样本之间的差异度作为分子势能的度量指标,在故障样本间＂相互作用势＂的影响下,以样本间＂势能＂最小为依据,调整故障样本在映射平面上的位置,从而获得最佳的聚类效果。开展了不同状态滚动轴承振动测试实验,聚类结果表明,相比于SOM聚类方法,该方法将聚类有效性指标DB值降低49.04%。将该方法应用于柴油机故障振动数据的聚类中,实验结果表明聚类效果良好,能够有效地将不同故障的数据区分开,验证了该方法的可行性和有效性。